高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及涉及接收機(jī)同步技術(shù)，尤其涉及高動態(tài)大頻偏條件下突發(fā)信號的頻偏 估計方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 突發(fā)通信是一類常見的通信應(yīng)用模式，如飛機(jī)等飛行載體的位置報告、傳感器采 集數(shù)據(jù)的上報等。當(dāng)通信雙方存在相對運動，且有較大的徑向速度和加速度時，對于較高的 載波頻率，信號會產(chǎn)生較大的多普勒頻偏和頻率變化率。例如，在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi) 星繞地球高速運動，具有較大的速度和加速度，加上載波頻率高（GHz量級），產(chǎn)生的多普勒 頻偏能達(dá)到百kHz量級，多普勒變化率能達(dá)到kHz/s量級。
[0003] 多普勒頻偏和頻率變化率相對于符號速率過大，會給接收機(jī)的同步造成惡劣影 響。載波頻偏估計是接收機(jī)同步技術(shù)的重要一環(huán)。當(dāng)頻偏較大時，接收機(jī)為了實現(xiàn)載波同 步，必須增大頻率搜索范圍，復(fù)雜度相應(yīng)增加。高動態(tài)（加速度大）帶來大的頻偏變化率， 接收信號的載頻快速變化，接收機(jī)對載波頻率的搜索變得更為復(fù)雜和困難。此外，突發(fā)信號 還要求同步建立時間短。高動態(tài)大頻偏條件下實現(xiàn)頻偏的快速精確估計，是值得研宄的難 點問題。
[0004] 載波頻偏估計存在多種方法，有基于反饋環(huán)路的估計算法，如鎖頻環(huán)、鎖相環(huán)等； 有基于前饋的估計方法，如離散傅立葉變換（DFT)輔助估計等，也有前反饋相結(jié)合的方法， 如韓秀峰等人提出的DFT與鎖相環(huán)結(jié)合法。鎖頻環(huán)要求符號信噪比高，信噪比較低時無法 正常工作。鎖相環(huán)跟蹤的頻偏范圍與環(huán)路帶寬正相關(guān)。大頻偏需要設(shè)置大的環(huán)路帶寬，在 信噪比較低時，增大環(huán)路帶寬會增加跳周概率。因此，環(huán)路帶寬不能設(shè)得很大，但環(huán)路帶寬 小會使跟蹤的頻偏范圍較窄，不適用于大頻偏。DFT與鎖相環(huán)相結(jié)合，能夠很好地估計頻偏。 在大頻偏條件下，采用DFT進(jìn)行頻率粗同步，通過增加采樣倍數(shù)，可以增大頻偏搜索范圍， 將剩余頻差壓縮到較窄的范圍。加長累積時間能夠提高頻率分辨率，從而提高估計精度。對 于剩余頻偏，采用二階鎖相環(huán)可以跟蹤；即使存在一定的動態(tài)，采用三階鎖相環(huán)也能實現(xiàn)動 態(tài)跟蹤。
[0005] 對于一般的通信場景，由于動態(tài)（多普勒變化率）較小或者不存在動態(tài)，DFT與鎖 相環(huán)相結(jié)合的方法十分有效。但在高動態(tài)條件下，載波頻率變化率大，當(dāng)DFT累積時間較長 時，載波頻率會跨越DFT的多個頻率柵欄，能量分散在多個頻點上，頻率粗同步性能很差， 使得后續(xù)的鎖相環(huán)無法正常工作。因此，對于高動態(tài)通信應(yīng)用，僅進(jìn)行頻率估計尚不夠，還 需要估計多普勒變化率。在此基礎(chǔ)上，才能估計出各信號點的頻偏值。因此，多普勒變化率 估計是高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號頻偏估計的關(guān)鍵。但是，目前關(guān)于多普勒變化率估計的研宄 較少，對高動態(tài)通信的頻偏估計缺乏行之有效的手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號，提供一種DFT輔助的多普勒變化率 快速估計方法，在此基礎(chǔ)上，提供一種基于DFT的頻偏估計方法。
[0007] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，突發(fā)幀捕獲、多普勒變化率估計與 校正、基礎(chǔ)頻偏估計和多普勒頻偏估計；
[0009] 通過門限比較法實現(xiàn)突發(fā)幀捕獲，突發(fā)信號幀由導(dǎo)頻段和數(shù)據(jù)段組成，利用導(dǎo)頻 段實現(xiàn)頻偏估計；
[0010] 對導(dǎo)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，采用DFT輔助的分層迭代方法估計多普勒變化率，并將多 普勒變化率估計值用于導(dǎo)頻段的動態(tài)補(bǔ)償；
[0011] 對動態(tài)校正后的信號進(jìn)行DFT輔助的基礎(chǔ)頻偏估計；
[0012] 結(jié)合多普勒變化率估計值和基礎(chǔ)頻偏估計值，聯(lián)合估計突發(fā)信號幀中每個符號的 頻偏。
[0013] 進(jìn)一步地，具體由以下步驟進(jìn)行：
[0014]S1、對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，將變換后的最大幅值與預(yù)先設(shè)定的門限Cth進(jìn) 行比較，當(dāng)其超過設(shè)定門限時，標(biāo)示著突發(fā)信號到達(dá)，記錄突發(fā)信號起始位置Pi,啟動多普 勒變化率估計；
[0015]S2、截取突發(fā)信號起始位置？1后長度為\的一段導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分段，然后采 用DFT輔助的多段分層迭代方法估計多普勒變化率，經(jīng)過多次迭代，得到多普勒變化率估 計值Rfd;
[0016]S3、利用多普勒變化率估計值Rfd對長度為Np的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)動態(tài)補(bǔ)償，將剩余動態(tài)壓 縮至較小范圍；
[0017]S4、對動態(tài)補(bǔ)償后的長度為％的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，搜索峰值對應(yīng)的頻率值， 計算基礎(chǔ)頻偏Afb;
[0018]S5、利用基礎(chǔ)頻偏估計值A(chǔ)fb和多普勒變化率估計值Rfd，估計突發(fā)信號幀每個符 號的頻偏值△f(k)，將剩余頻偏壓縮至較小范圍，便于后續(xù)的載波相位跟蹤。
[0019] 進(jìn)一步地，突發(fā)幀捕獲的具體步驟如下：
[0020]S11、接收數(shù)據(jù)，在信號到來之前系統(tǒng)接收的是隨機(jī)噪聲，接收數(shù)據(jù)是由純噪聲數(shù) 據(jù)過渡到噪聲+信號混合數(shù)據(jù)再到純信號數(shù)據(jù)；
[0021]S12、過采樣，根據(jù)頻偏搜索范圍確定信號的過采樣率，對接收信號進(jìn)行過采樣；
[0022] S13、DFT變換，按照設(shè)定的捕獲DFT點數(shù)Ndft。設(shè)置滑動窗尺寸，過采樣數(shù)據(jù)送入 滑動窗，對窗內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，并搜索變換后的幅度峰值；
[0023]S14、將每次搜索的峰值與捕獲門限Cth進(jìn)行比較，當(dāng)其超過Cth時，記錄突發(fā)信號起 始位置Pi,完成突發(fā)幀捕獲，并啟動后續(xù)的多普勒變化率估計與補(bǔ)償。
[0024] 進(jìn)一步地，多普勒變化率的估計與補(bǔ)償?shù)木唧w步驟如下：
[0025]S21、從突發(fā)信號的起始位置？,起，截取長度為Np的樣點數(shù)據(jù)，并將其等分成m段， 每段的樣點數(shù)目為Np/m;
[0026]S22、多普勒變化率粗估計，對m段數(shù)據(jù)中的第1段數(shù)據(jù)和最后1段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行 DFT變換，根據(jù)幅度峰值對應(yīng)的頻率值確定各自的頻偏△ 4和△f"，然后計算多普勒變化
【主權(quán)項】
1. 一種高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，其特征在于：突發(fā)幀捕獲、多普勒變 化率估計與校正、基礎(chǔ)頻偏估計和多普勒頻偏估計； 通過門限比較法實現(xiàn)突發(fā)幀捕獲，突發(fā)信號幀由導(dǎo)頻段和數(shù)據(jù)段組成，利用導(dǎo)頻段實 現(xiàn)頻偏估計； 對導(dǎo)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，采用DFT輔助的分層迭代方法估計多普勒變化率，并將多普勒 變化率估計值用于導(dǎo)頻段的動態(tài)補(bǔ)償； 對動態(tài)校正后的信號進(jìn)行DFT輔助的基礎(chǔ)頻偏估計； 結(jié)合多普勒變化率估計值和基礎(chǔ)頻偏估計值，聯(lián)合估計突發(fā)信號幀中每個符號的頻 偏。
2. 如權(quán)利要求1所述的高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，其特征在于，具體由 以下步驟進(jìn)行： 51、 對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，將變換后的最大幅值與預(yù)先設(shè)定的門限Cth進(jìn)行比 較，當(dāng)其超過設(shè)定門限時，標(biāo)示著突發(fā)信號到達(dá)，記錄突發(fā)信號起始位置Pi,啟動多普勒變 化率估計； 52、 截取突發(fā)信號起始位置Pi后長度為N p的一段導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分段，然后采用 DFT輔助的多段分層迭代方法估計多普勒變化率，經(jīng)過多次迭代，得到多普勒變化率估計值 Rfd; 53、 利用多普勒變化率估計值Rfd對長度為Np的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)動態(tài)補(bǔ)償，將剩余動態(tài)壓縮至 較小范圍； 54、 對動態(tài)補(bǔ)償后的長度為％的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，搜索峰值對應(yīng)的頻率值，計算 基礎(chǔ)頻偏Afb; 55、 利用基礎(chǔ)頻偏估計值△ fb和多普勒變化率估計值R fd，估計突發(fā)信號幀每個符號的 頻偏值△￡〇0,將剩余頻偏壓縮至較小范圍，便于后續(xù)的載波相位跟蹤。
3. 如權(quán)利要求2所述的高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，其特征在于，突發(fā)幀 捕獲的具體步驟如下： 511、 接收數(shù)據(jù)，在信號到來之前系統(tǒng)接收的是隨機(jī)噪聲，接收數(shù)據(jù)是由純噪聲數(shù)據(jù)過 渡到噪聲+信號混合數(shù)據(jù)再到純信號數(shù)據(jù)； 512、 過采樣，根據(jù)頻偏搜索范圍確定信號的過采樣率，對接收信號進(jìn)行過采樣； 513、 DFT變換，按照設(shè)定的捕獲DFT點數(shù)Ndft。設(shè)置滑動窗尺寸，過采樣數(shù)據(jù)送入滑動 窗，對窗內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，并搜索變換后的幅度峰值； 514、 將每次搜索的峰值與捕獲門限Cth進(jìn)行比較，當(dāng)其超過Cth時，記錄突發(fā)信號起始位 置Pi，完成突發(fā)幀捕獲，并啟動后續(xù)的多普勒變化率估計與補(bǔ)償。
4. 如權(quán)利要求2所述的高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，其特征在于，多普勒 變化率的估計與補(bǔ)償?shù)木唧w步驟如下： 521、 從突發(fā)信號的起始位置？1起，截取長度為Np的樣點數(shù)據(jù)，并將其等分成m段，每段 的樣點數(shù)目為Np/m ; 522、 多普勒變化率粗估計，對m段數(shù)據(jù)中的第1段數(shù)據(jù)和最后1段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行DFT 變換，根據(jù)幅度峰值對應(yīng)的頻率值確定各自的頻偏△ 4和△ f，然后計算多普勒變化率粗 估值
其中，Tsample為相鄰樣點間的采樣間隔； 523、 利用多普勒變化率粗估值Rfd。對前面截取的Np點數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)預(yù)校正； 524、 多普勒變化率精估計，將預(yù)校正后的Np點數(shù)據(jù)分為η段，且η < m，分別對第1段 和第η段數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，確定各自的頻偏估計值Λ ff JP Λ f fn，然后計算多普勒變化率 精估值
525、 多普勒變化率精補(bǔ)償，從突發(fā)信號的起始位置Pi起算，令起始位置的樣點索 引k = 0,計算多普勒變化率精估值引起的第k個樣點的頻偏變化值，Aframp fGO = Rfd fX (k-1) XTsample,并用該頻偏變化值反向補(bǔ)償前面經(jīng)過動態(tài)預(yù)校正的％個樣點； 526、 多普勒變化率計算，Rfd= Rfd f+Rfd。。
5. 如權(quán)利要求2-4任一項所述的高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，其特征在 于，基礎(chǔ)頻偏估計的具體步驟如下： 541、 從起始位置Pi起截取的N p個樣點數(shù)據(jù)經(jīng)過動態(tài)補(bǔ)償后，進(jìn)行N 5點DFT變換，尋找 幅度的最大值A(chǔ)_^P鄰近的次大值A(chǔ) sub_; 542、 確定最大值和次大值分別對應(yīng)的頻率偏移值A(chǔ)fmax和Afsubmax; 543、 采用線性內(nèi)插方法計算基礎(chǔ)頻偏估計值：
6. 如權(quán)利要求2-4任一項所述的高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，其特征在 于，頻偏聯(lián)合估計的具體步驟如下： 從突發(fā)信號的起始位置Pi起算，令起始位置的樣點索引k = 0,計算每個樣點的頻偏， Af(k) = Afb+RfdX(k_l)XTsample。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高動態(tài)大頻偏突發(fā)信號的頻偏估計方法，包括突發(fā)幀捕獲、多普勒變化率估計與校正、基礎(chǔ)頻偏估計和多普勒頻偏估計，突發(fā)信號幀由導(dǎo)頻段和數(shù)據(jù)段組成，接收機(jī)利用導(dǎo)頻段實現(xiàn)頻偏估計。首先通過門限比較法實現(xiàn)突發(fā)幀捕獲；之后對導(dǎo)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，采用DFT輔助的分層迭代方法估計多普勒變化率，并將多普勒變化率估計值用于導(dǎo)頻段的動態(tài)補(bǔ)償；然后，對動態(tài)校正后的信號進(jìn)行DFT輔助的基礎(chǔ)頻偏估計；最后，結(jié)合多普勒變化率估計值和基礎(chǔ)頻偏估計值，聯(lián)合估計突發(fā)信號幀中每個符號的頻偏。使用頻偏估計結(jié)果對數(shù)據(jù)段進(jìn)行補(bǔ)償，使數(shù)據(jù)段具有較小的頻率變化率和剩余頻偏，便于實現(xiàn)位同步、幀同步和載波同步。
【IPC分類】H04L25-02, H04L25-03
【公開號】CN104852875
【申請?zhí)枴緾N201510137444
【發(fā)明人】朱宏鵬, 杜鋒, 李志強(qiáng), 李廣俠, 程劍, 常江, 張北江, 張劍, 朱銀霞, 云飛龍, 程磊, 雷旺春
【申請人】中國人民解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院衛(wèi)星通信軍隊重點實驗室
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年3月26日